節(jié)理測量技術(shù)在巖體體積節(jié)理數(shù)統(tǒng)計中的應(yīng)用

李彥軍

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司常村煤礦）

圍巖穩(wěn)定性分析一直是巖體工程界關(guān)注的技術(shù)難題，其中圍巖穩(wěn)定性很大程度上取決于巖體的完整性，而巖體節(jié)理數(shù)量是影響巖體完整性的重要因素［1］。目前國際巖石力學(xué)委員會一直推薦使用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv法作為評價巖體完整性的簡易替代方法，并得到了大眾的認(rèn)可。Jv的計算方法主要有3種：直接測量法、間距法和條數(shù)法。上述3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，直接測量法對現(xiàn)場環(huán)境要求特別高。間距法的計算方法會導(dǎo)致計算結(jié)果偏小，容易出現(xiàn)失真。條數(shù)法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，沒有理論依據(jù)［2-3］。并且上述3種計算方法都是依據(jù)巖體表面節(jié)理數(shù)計算Jv，而節(jié)理是一個三維空間的結(jié)構(gòu)面，單靠一個面的地質(zhì)信息無法滿足計算要求，因此傳統(tǒng)方法計算結(jié)果易出現(xiàn)誤判［4］。為了準(zhǔn)確得到體積節(jié)理數(shù)的計算結(jié)果，本研究基于Sirovision節(jié)理掃描系統(tǒng)與鉆孔攝像系統(tǒng)的節(jié)理測量技術(shù)，得到巖體三維空間內(nèi)節(jié)理的真實(shí)分布情況，提出一種新的巖體體積節(jié)理數(shù)Jv計算方法。

1 節(jié)理測量技術(shù)

1.1 Sirovision節(jié)理掃描系統(tǒng)

CAE Sirovision是由澳大利亞皇家科學(xué)院研發(fā)，專門用來進(jìn)行礦山巖體節(jié)理裂隙調(diào)查及分析研究，繼而輔助進(jìn)行巖體穩(wěn)定性評價的數(shù)字化操作系統(tǒng)［5］。該設(shè)備的主體由兩大部分組成，一是CAE立體圖像采集儀（圖1），另一部分是Sirovision圖像處理系統(tǒng)。Sirovision系統(tǒng)將CAE圖像采集的二維圖像合成為三維圖像，并結(jié)合礦山現(xiàn)場所采集巖面的控制點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)對任意合成的三維圖像進(jìn)行地理定位，繼而通過手動操作將定位過的三維圖像進(jìn)行拼接，便可以進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面的繪制以及確定節(jié)理數(shù)量、間距、傾角以及優(yōu)勢節(jié)理等信息［6］（圖2）。

1.2 鉆孔攝像系統(tǒng)

采用的數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)是由中科院巖土所自主研制完成的可視化鉆孔勘察設(shè)備（圖3），該設(shè)備通過面成像技術(shù)、面圖像的無縫縫合技術(shù)和現(xiàn)場掃描線成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度全孔圖像的全景成像問題以及鉆孔的三維圖像化描述和信息的數(shù)字化分析［7］。通過全景攝像頭可以清晰地觀測到鉆孔內(nèi)360°孔壁情況，并可在后期的分析系統(tǒng)中得到孔壁三維圖像。從圖像中我們就可得到巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息，如節(jié)理的傾向、傾角、間距和填充物信息等［8］。鉆孔攝像系統(tǒng)比鉆孔巖芯更能準(zhǔn)確而全面地反映出鉆孔內(nèi)的實(shí)際情況。

巷道內(nèi)圍巖的節(jié)理可分為原生節(jié)理與開挖擾動產(chǎn)生的次生節(jié)理。其中原生節(jié)理在空間中分布多為一組或多組優(yōu)勢節(jié)理，還含有少量的隨機(jī)節(jié)理。由于節(jié)理發(fā)育各向異性與隨機(jī)性，不同區(qū)域巖體單位體積的節(jié)理數(shù)無法相同［9-10］。尤其對于優(yōu)勢節(jié)理而言，鉆孔的位置和鉆孔軸向方位直接影響觀測結(jié)果，因此利用鉆孔進(jìn)行觀測巖壁節(jié)理分布時，在觀測區(qū)域表面垂直優(yōu)勢節(jié)理走向方向觀測節(jié)理，可以更好地反映節(jié)理數(shù)量［11］。而開挖擾動形成的次生裂隙對于計算巖體節(jié)理數(shù)具有一定的干擾，因此為了避開卸荷區(qū)次生裂隙的影響，需要根據(jù)現(xiàn)場圍巖的破壞情況進(jìn)行確定，建議鉆孔深度在5 m以上。

通過上述2種觀測方法可以明確巖壁表面裂隙的數(shù)量，同時利用鉆孔攝像對巖體內(nèi)部節(jié)理分布情況有一個初步判斷，至此可以為巖體單位體積內(nèi)節(jié)理數(shù)的確定提供了基本信息。

2 巖體體積節(jié)理數(shù)計算方法

2.1 節(jié)理走向系數(shù)

通常情況，巖壁表面節(jié)理走向與鉆孔軸向方向一般呈3種情況：平行、斜交、垂直。基于這種假設(shè)，提出1種可以快速判斷巖體表面節(jié)理走向的方法，巖體表面節(jié)理間距H與傾角θ的正余弦值的比值即為節(jié)理走向系數(shù)Sj。通過系數(shù)Sj數(shù)值大小可得到表面節(jié)理分布密集程度與走向傾斜程度，即可判斷在表面節(jié)理不同分布情況下鉆孔內(nèi)看到的內(nèi)部節(jié)理中表面節(jié)理所占的比重。根據(jù)Sj數(shù)值是否大于1，來選擇對應(yīng)不同情況下的計算公式，進(jìn)而計算出巖體體積節(jié)理數(shù)Jv，見式（1）、式（2）。

式中，Js為巖體表面節(jié)理數(shù)量，條數(shù)/m2；Jc為巖體內(nèi)部節(jié)理數(shù)量，條數(shù)/m2；H為節(jié)理間距，m；θ為節(jié)理傾角，（°）。

2.2 基于節(jié)理走向系數(shù)的體積節(jié)理數(shù)計算方法

圖4 表示了現(xiàn)場生產(chǎn)情況下巖體節(jié)理的3種分布情況。

如圖4（a）所示，當(dāng)巖體表面節(jié)理走向呈近乎平行分布時，Sj計算結(jié)果小于1。由于巖體表面節(jié)理傾向角比較小，此時在鉆孔內(nèi)看到的內(nèi)部節(jié)理為巖體的全部節(jié)理，則Jv=Jc。

如圖4（b）所示，當(dāng)巖體表面節(jié)理走向呈斜交分布時，Sj計算結(jié)果大于1。由于此時鉆孔所在的位置無法看到全部的節(jié)理，從鉆孔攝像中看到的節(jié)理既有表面節(jié)理Js，又有內(nèi)部節(jié)理Jc，則Jv=Max（Jc，Js）。

如圖4（c）所示，當(dāng)巖體表面節(jié)理走向呈近乎垂直分布時，Sj計算結(jié)果大于1。此時在鉆孔內(nèi)看到的節(jié)理條數(shù)中不含表面節(jié)理，僅是巖體的內(nèi)部節(jié)理，則Jv=Jc+Js。

要注意在計算過程中，若鉆孔內(nèi)部看到的節(jié)理與表面節(jié)理屬于同一節(jié)理組時，要將其減去避免重復(fù)相加。判斷同一節(jié)理組的方法是看內(nèi)部節(jié)理的產(chǎn)狀信息與表面節(jié)理是否相同。

3 工程應(yīng)用案例

3.1 工程背景

常村煤礦位于山西省長治市屯留縣城東北10 km處。井田為不規(guī)則多邊形，南北長17 km，東西寬7.4 km，面積為107 km2，核算生產(chǎn)能力為800萬t/a。礦井目前開采25采區(qū)，掌子面處巖體構(gòu)成以砂巖與煤巖為主。為了探究常村煤礦巖體的節(jié)理情況以及判斷開采時的圍巖穩(wěn)定性，結(jié)合該礦掘進(jìn)工作面采掘工程開展了巖壁表面三維節(jié)理掃描與鉆孔攝像測試工作。

3.2 三維節(jié)理掃描

在使用CAE圖像采集儀掃描掘進(jìn)工作面巖體表面后，通過Sirovision系統(tǒng)合成測試區(qū)域巷道巖體三維圖像（圖5），圖6為巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息統(tǒng)計結(jié)果，可得知巖體節(jié)理的分布情況，進(jìn)而可對該區(qū)域范圍內(nèi)巖體表面的結(jié)構(gòu)面信息進(jìn)行統(tǒng)計分析。通過掘進(jìn)工作面巖體表面所揭露節(jié)理的極點(diǎn)圖、施密特等密度圖和玫瑰花圖，可以統(tǒng)計巖體節(jié)理產(chǎn)狀信息，便于現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

通過巖體優(yōu)勢節(jié)理統(tǒng)計，根據(jù)數(shù)據(jù)聚類結(jié)果，可知在該待測巖體內(nèi)存在2組主節(jié)理（優(yōu)勢節(jié)理）和一系列隨機(jī)節(jié)理，根據(jù)圖6可得到，其中第一組優(yōu)勢節(jié)理節(jié)理傾角為70°，傾向?yàn)?35°，節(jié)理間距為0.20 m，S1為4.96條/m；第二組優(yōu)勢節(jié)理傾角為82°，傾向?yàn)?28°，節(jié)理間距為0.15 m，S2為6.86條/m。隨機(jī)節(jié)理平均節(jié)理間距為0.48 m，S3為2.07條/m。

3.3 鉆孔攝像

在第一組優(yōu)勢節(jié)理處的1號鉆孔內(nèi)有2組主要節(jié)理，產(chǎn)狀信息如表1所示，鉆孔圖像如圖7所示。統(tǒng)計鉆孔攝像得到結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，節(jié)理呈離散分布。第一組產(chǎn)狀傾角為62°，傾向?yàn)?48°；第二組產(chǎn)狀：傾角為88°，傾向?yàn)?25°，與節(jié)理掃描結(jié)果較為一致。

在第二組優(yōu)勢節(jié)理處的2號鉆孔內(nèi)也有2組主要節(jié)理，第一組產(chǎn)狀：傾角為72°、傾向?yàn)?62°；第二組產(chǎn)狀：傾角為88°、傾向?yàn)?46°，與節(jié)理掃描結(jié)果較為一致。產(chǎn)狀信息如表2所示，鉆孔圖像如圖8所示。

3.4 體積節(jié)理數(shù)

經(jīng)計算，在第一組優(yōu)勢節(jié)理區(qū)域所得到的節(jié)理走向系數(shù)Sj＜1。巖體體積節(jié)理數(shù)計算公式應(yīng)選擇公式（1），Jv=7條/m。此時表面節(jié)理Js數(shù)值應(yīng)加上隨機(jī)節(jié)理的數(shù)量。

經(jīng)計算在第二組優(yōu)勢節(jié)理區(qū)域所得到的節(jié)理走向系數(shù)Sj＞1。巖體體積節(jié)理數(shù)計算公式應(yīng)選擇公式（2），Jv=12條/m。

注：此時節(jié)理條數(shù)是在排除掉與表面同屬一節(jié)理組的條數(shù)和卸荷區(qū)的節(jié)理后所得到的。

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該待測區(qū)域的巖體體積節(jié)理數(shù)等于2組優(yōu)勢節(jié)理范圍內(nèi)體積節(jié)理數(shù)的平均值，為10條/m。

現(xiàn)將通過此方法計算出的巖體體積節(jié)理數(shù)Jv與傳統(tǒng)的間距法、直接法、條數(shù)法進(jìn)行對比計算，對比結(jié)果如表3所示。

?

從以上結(jié)果分析可知，以往求巖體體積節(jié)理數(shù)Jv的3種方法所得結(jié)果都小于鉆孔攝像計算方法。其中直接法最接近于鉆孔攝像計算方法的結(jié)果，但比值也在1.3～1.4。原因在于以往計算方法都沒有考慮到鉆孔內(nèi)部節(jié)理情況，導(dǎo)致計算結(jié)果偏小。

4 結(jié)論

通過常村煤礦25采區(qū)掌子面處的現(xiàn)場實(shí)例，利用Sirovision節(jié)理遙測系統(tǒng)和鉆孔攝像系統(tǒng)的節(jié)理測量技術(shù)，可直觀地得到表面節(jié)理與內(nèi)部節(jié)理的空間位置分布情況與產(chǎn)狀，并利用節(jié)理走向系數(shù)判斷出巖體節(jié)理分布的不同情況，選擇相應(yīng)的計算公式計算出體積節(jié)理數(shù)Jv。經(jīng)過理論分析與實(shí)例驗(yàn)證，基于節(jié)理精細(xì)描述的計算方法比以往傳統(tǒng)的計算方法更能全面且客觀地反映出現(xiàn)場節(jié)理分布的真實(shí)情況，并提高了勘察工作的質(zhì)量。